In den 1970er Jahren stellte der Physiker Stephen Hawking eine faszinierende Frage: Haben Schwarze Löcher eine Temperatur? Seine bahnbrechende Analyse führte zur Entdeckung der Hawking-Strahlung. Hawking bewies, dass Schwarze Löcher Energie abstrahlen, langsam schrumpfen und letztlich in einem Gammastrahlenblitz explodieren.
Was ist Hawking-Strahlung?
Die Hawking-Strahlung entsteht, weil der leere Raum nicht wirklich leer ist. Quantenfelder durchdringen das Vakuum, auch wenn keine Masse oder Teilchen vorhanden sind.
Üblicherweise erzeugen diese Felder Paare virtueller Teilchen – ein Teilchen und sein Antiteilchen –, die sich sofort gegenseitig vernichten. In der Nähe eines Schwarzen Lochs kann jedoch eines der Teilchen in das Innere fallen und verloren gehen, während das andere als Hawking-Strahlung entkommt.
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Diese gängige Erklärung ist vereinfacht. Tatsächlich resultiert die Hawking-Strahlung aus der Interaktion von Gravitation und Quantenfeldern, wie sie in der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben wird.
Quantenfelder unterliegen der Heisenbergschen Unschärferelation, die Unsicherheiten in Energie und Zeit vorgibt. Die gekrümmte Raumzeit nahe einem Schwarzen Loch führt zu lokalen Unterschieden im Vakuumenergieniveau – genau das erzeugt die scheinbaren virtuellen Teilchen.
Können wir Hawking-Strahlung nachweisen?
Hawking beantwortete seine Frage: Schwarze Löcher haben eine Temperatur, die jedoch extrem niedrig ist. Die abgestrahlte Energie ist umgekehrt proportional zur Masse: Je massereicher das Schwarze Loch, desto kühler.
Ein Schwarzes Loch mit der Masse unserer Sonne hätte etwa 10-8 K, eines mit einer Million Sonnenmassen nur 10-14 K. Diese Werte liegen kaum über dem absoluten Nullpunkt und sind winzig im Vergleich zur kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB).
Das Universum bildet keine Schwarzen Löcher unter etwa 2,5 Sonnenmassen, sodass heißere, kleinere Exemplare fehlen. Eine direkte Detektion scheint unmöglich.
Dennoch: Primordiale Schwarze Löcher aus dem frühen Universum könnten klein genug sein, um spürbare Hawking-Strahlung zu emittieren und als Gammastrahlenblitze bei ihrer Verdunstung nachweisbar zu sein. Sie könnten sogar Teil der Dunklen Materie darstellen.
Leben Schwarze Löcher ewig?
Hawkings Arbeit zeigt: Nein. Hawking-Strahlung reduziert die Masse langsam, bis isolierte Schwarze Löcher verdunsten.
Die Zeitskala ist enorm: Ein solares Schwarzes Loch bräuchte 1064 Jahre, während das Universum nur etwa 1010 Jahre alt ist.
Was ist das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs?
Die Verdunstung wirft ein Rätsel auf: Quantenmechanik verbietet den Verlust von Information. Alles, was in ein Schwarzes Loch fällt, scheint für immer verloren – doch Hawking-Strahlung gibt keine Information zurück.
Beim vollständigen Verschwinden des Lochs würde Information zerstört, was die Quantenregeln verletzen würde. Lösungsansätze treiben die Quantengravitation voran, ein zentrales ungelöstes Problem der Physik.
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- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 373 des BBC Science Focus Magazine – Erfahren Sie hier, wie Sie sich anmelden können